农业技术进步下的农业用水反弹效应及特征
——基于长江中下游粮食主产区省级面板数据
2022-07-01黄晓慧
黄晓慧，杨 飞
（江苏师范大学商学院，江苏徐州221116）
水是人类赖以生存和发展的重要资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量不足世界人均水平的1/4[1]。农业是国民经济的基础产业，水资源是“农业生产的命脉”[2]。然而，农业是用水大户，农业水资源短缺与浪费并存，同时受到生活用水和工业用水挤压，加剧了我国农业用水的困境，威胁我国粮食安全、生态安全和农业可持续发展[3,4]。因此，迫切需要发展节水农业，这不仅是缓解农业用水短缺的主要路径，也是保障水资源安全、生态安全、粮食安全的关键[5,6]。推动农业技术进步，提高农业生产技术水平成为发展节水农业的重要手段，例如节水灌溉技术的推广和应用，可以提高农业水资源利用效率，有助于节约农业水资源[7,8]。近年来，随着农业技术的不断进步，我国农业用水效率不断提高[9,10]，根据数据显示，全国农田灌溉水有效利用系数从2005年的0.451 2 提高到2020年的0.565[11]。但是农业用水量却居高不下，农业用水量从2005年的3 580 亿m3增加到2020年的3 612.4 亿m3[12]。可见，从农业实际生产来看，随着农业技术进步和农业用水效率的提高，农业用水总量没有减少反而增加了，也就是说农业技术进步并没有实现预期的节水效果[13]。在理论上，这种现象被称为“反弹效应”。目前，国内外对于反弹效应的研究主要集中于能源领域，对于水资源反弹效应的研究尚处于起步阶段，关于农业用水反弹效应的研究更少。许莹莹等（2021年）研究表明中国工业用水回弹效应较为严重[14]。许航等（2021年）测算了旱区西北五省的农业灌溉用水反弹效应[15]。王哲等（2020年）研究表明农业科技进步与技术贡献率对河北省农业用水反弹效应影响显著[16]。尚杰等（2020年）研究表明农业用水存在回弹效应，提高用水效率所节约的水资源量被技术进步带来的农业用水增加量部分抵消[17]。农业用水反弹效应研究是能源反弹效应研究的拓展与延伸。基于此，本文以长江中下游粮食主产区为例，利用2007-2019年省级面板数据，计算农业技术进步下的农业用水反弹效应，探讨农业用水反弹效应的区域和时间差异，旨在为农业节水政策制定提供理论依据和现实参考。
1 研究方法
1.1 测算农业技术进步率
数据包络分析方法（DEA）不受数据属性的限制，具有强灵活性，是研究多种投入、多种产出综合效率的典型方法。其利用投入产出指标，通过数学建模得出最优的边界点，构成数据包络线，代表最优的投入产出指标组合，效率是1；不在此线上的投入产出指标组合视为无效率，其数值在0～1 之间。其中的BCC 模型，在规模报酬可变约束下，可将综合效率分解为纯技术效率和规模效率（综合效率=纯技术效率×规模效率），其得到的纯技术效率表示农业受技术因素影响的生产效率，就是本文所需要的农业技术进步率。因此，采用BCC 模型测算综合效率，并分解得到农业技术进步率。其模型为：
式中：α表示决策单元的相对效率衡量指标，其数值越大代表效率越高；i表示第i年样本数据；n表示年数，本文为13年；xi表示第i年的投入指标，yi表示第i年的产出指标；βi代表第i年的投入产出指标组合系数；s+和s-表示第i年对应投入和产出指标的松弛变量；x0和y0分别表示最优的投入量和产出量。
当α=1 时，且s+=0，s-=0，表示第i年的投入产出组合（xi，yi）同时达到技术有效和规模有效的最优状态；当α=1时，且s+>0或s->0，表示弱DEA有效，不是同时技术有效和规模有效；当α<1 时，不是DEA 有效，既不是技术有效，也不是规模有效。需要说明的是，利用公式（1）处理投入产出数据，得出的结果包括综合效率、纯技术效率、规模效率，纯技术效率是本文所需要的农业技术进步率，数值为1时，表示在当前的农业技术水平上，农业投入的资源使用是完全有效的，且对要素产生的变化表现为显著；值越趋近于1，则农业资源投入效率越高且越完全。
1.2 测算农业用水反弹效应
农业用水强度为:
式中：W为农业用水总量；A代表农业总产值。
农业技术进步能够提高农业水资源利用效率，降低农业用水强度，进而减少农业用水量，农业水资源使用效率的提高所产生的理论节水量可以表示为:
农业技术进步能够推动农业经济增长，而农业经济增长会增加农业水资源的需求，增加农业用水量，因此，农业技术进步所引致的农业水资源增加量为:
农业技术进步引起的农业用水反弹效应表示为农业技术进步促进农业经济增长所引致的农业水资源增加量与理论节水量之比。表示为:
式中：t代表年份，σt+1为农业技术进步率。
当R＜0 时，表示农业用水没有出现反弹效应，称为过度存储效应，说明实际农业节水量超过农业用水效率提升所节约的水资源量，这在现实中较难实现；当R=0 时，表示零反弹效应，说明农业技术进步带来的农业用水效率提高所产生节水量被全部节省下来，即农业技术进步完全达到预期节水效果；当0
2 研究区域及数据来源
2.1 研究区域概况
长江中下游粮食主产区是我国三大粮食主产区之一，也是我国构建长江经济带的重点建设区域，包括江苏、安徽、湖北、湖南、江西5 省，均位居全国粮食生产省份前列，2020年该地区粮食作物播种面积占全国的22.15%，粮食产量15 654.71 万t，占全国的23.38%，在保障国家粮食安全方面承担着重要作用。农业科学用水关系到其农业高质量发展[21]。在伏旱期，长江流域蒸发旺盛，严重影响农作物生长；夏季降水多且降水强度大，雨区覆盖范围广，易造成洪涝灾害导致粮食减产。2020年该地区农业总产值15 174.77 亿元，占全国的21.15%，农业用水量907.90 亿m3，占全国的25.13%，可见，以较多的水资源投入获得了相对较少的农业产值，与水资源高效利用和长江经济带高质量发展的要求仍有差距，存在一定的节水潜力。因此，本文选择长江中下游粮食主产区为研究区域。
2.2 数据来源
测算农业技术进步率所需要的投入指标包括农业用水量、农业劳动力投入、农作物总播种面积、农业机械总动力和农用化肥施用量，产出指标是农业总产值。农业用水反弹效应用到的数据有农业用水量和农业总产值。数据主要来源于2007-2019年5 省《统计年鉴》《农村统计年鉴》和《水资源公报》。
3 结果与分析
3.1 农业技术进步率结果分析
本文采用Deap2.1 软件处理所搜集的投入产出数据，得出综合效率、纯技术效率、规模效率，这里只报告纯技术效率（见图1）。从图1可以看出，在2007-2019年间，5省的农业技术进步率均为正值。2007-2019年总体平均值在0.74～0.83 之间小幅波动，比较稳定。江苏省2007-2019年的农业技术进步率都为1，高于平均值，说明在各自年份的农业技术水平上，农业用水量、农业劳动力、农作物总播种面积、农业机械总动力、农用化肥施用量等农业投入的利用是非常有效的。安徽、江西、湖北、湖南2007-2019年的农业技术进步率都小于1，说明投入要素的使用存在缺陷，数值越低说明资源投入效率越不完全。安徽省的农业技术进步率变化不大，处于0.528～0.682 之间，大体呈现缓慢下降的趋势，低于平均值。江西省在0.517～0.738 之间不断的波动，2015年之后比较稳定，低于平均值。湖北省在0.827～0.981 之间小幅波动，2015年之后比较稳定，高于平均值。湖南省在0.64～0.912之间不断波动，幅度较大，大体呈现下降的趋势。
图1 2007-2019年农业技术进步率
3.2 农业用水量分析
从图2可以看出，江苏省农业用水量最多，远远高于其他4省和平均值，其次是湖南，与平均值接近，江西、安徽和湖北差不多，低于平均值。平均值在173.39～198.91 亿m3之间不断波动。江苏、湖南、江西、安徽和湖北农业用水量分别在268.51～307.60、183.12～200.19、148.89～175.68、142.83～168.38、132.65～159.61 亿m3之间不断波动。各省农业用水量在时间上无明显的上升下降趋势，波动幅度比较平稳，整体比较稳定。
图2 2007-2019年农业用水量
由图1 和图2 可知，随着农业技术的进步，农业用水量没有明显的减少，可见出现了反弹效应，接下来分析长江中下游粮食主产区农业用水反弹效应。利用公式（2）～（5）对数据进行计算，结果如表1～表3所示。
3.3 农业用水反弹效应时间变化趋势分析
从表1可以看出，长江中下游粮食主产区农业技术进步率比较稳定，变化不大。农业用水强度不断减少，由2007年的0.16 减少至2019年的0.07。理论节水量处于不断升降过程中，但是2013年以后的平均节水量小于之前的平均节水量。农业技术进步所引致的水资源需求量不断变化，大体呈现下降的趋势。在农业技术进步率波动的影响下，农业用水反弹效应不同年份之间存在变化，无明显的增减趋势。只有2009年和2012年不存在反弹效应，其他年份都存在反弹效应。其中，2011、2014 和2015年出现了回火效应，农业技术进步所引致的水资源需求量高于理论节水量分别为483%、111%和382%。其他年份处于0～1之间，存在部分反弹效应，说明农业技术进步引致的水资源增加量仅抵消了部分节水量，农业用水效率提高存在积极的节水效果。
表1 2007-2019年农业用水反弹效应时间变化趋势
3.4 农业用水反弹效应区域差异分析
从表2可以看出，从农业用水强度来看，江西省最大，其次是江苏、湖南、安徽，湖北最小。从理论节水量来看，江苏省最多，其次是湖南，江西、安徽和湖北差不多。农业技术进步率江苏省最高，其次是湖北、湖南、江西、安徽。农业技术进步所引致的水资源需求量，江苏省最多，其次是湖南、湖北、江西、安徽。安徽、江西不存在反弹效应，江苏、湖北、湖南3个省份存在反弹效应。湖南的反弹效应最高，为0.91，说明农业技术进步带来的农业用水增加量抵消了理论节水量的91%，实际节水量仅占预期9%。江苏和湖北实际节水量占预期47%、29%。
表2 各省农业用水强度、节水量、需水量和农业用水反弹效应
3.5 各省农业用水反弹效应时间差异分析
江苏省农业用水反弹效应。从表3 可以看出，只有2016-2019年不存在反弹效应，其他年份都存在反弹效应，其中2008 和2009年出现了回火效应。2007-2015年都为正值，2008-2015年不断减少，2016-2019年为负值，从一开始存在回火效应，到存在强反弹效应，到没有反弹效应，可见江苏省农业用水反弹效应大体呈现下降的趋势。2008 和2009年的数值分别为2.04和1.54，表示农业技术进步引致的水资源需求量不仅完全消耗了理论的节水量，还产生了新的农业水资源需求，农业技术进步所引致的水资源需求量高于理论节水量分别为204%和154%。2007年、2010-2015年处于0.5～1之间，存在强反弹效应，说明农业技术进步只实现了一部分预期节水量，实际节水量不到预期的50%，剩余被农业经济增长所带来的新增农业用水量抵消了。
表3 各省2007-2019年农业用水反弹效应
安徽省农业用水反弹效应2007-2019年不断变化，无明显的增减趋势。只有2008、2009 和2015年为负数没有出现反弹效应，其他年份都为正值，都存在农业用水反弹效应。2007、2012、2014、2018、2019年反弹效应处于0～0.5 之间，表示存在弱反弹效应，说明农业技术进步实现了50%以上的理论节水量，不到50%的理论节水量被农业经济增长所带来的新增农业用水量抵消了，实际节水量分别达到预期的70%、69%、84%、91%、67%。2010、2011、2013、2016、2017年反弹效应处于0.5～1 之间，表示存在强反弹效应，说明农业技术进步只实现了不到50%的理论节水量，50%以上的理论节水量被农业经济增长所带来的新增农业用水量抵消了，实际节水量分别占预期的47%、41%、11%、26%、47%。
江西省农业用水反弹效应2007-2019年不断变化，无明显的增减趋势。2007、2009、2013年没有出现反弹效应，其他年份都存在反弹效应。2011、2017 和2018年的农业用水反弹效应数值分别为6.77、1.09 和2.31，出现了回火效应，技术进步所引致的水资源需求量高于理论节水量分别为677%、109%和231%。2008、2010、2012、2014、2015年反弹效应处于0～0.5 之间，存在弱反弹效应，说明农业技术进步实现了50%以上的理论节水量，不到50%的理论节水量被农业经济增长所带来的新增农业用水量抵消了，实际节水量分别达到预期的51%、68%、77%、61%、62%。2016、2019年反弹效应处于0.5～1 之间，表示存在强反弹效应，实际节水量不到预期的50%，实际节水量分别占预期的32%、16%。
湖北省农业用水反弹效应2007-2019年不断变化，无明显的增减趋势。只有2013、2017、2018年没有出现反弹效应，其他年份都存在反弹效应。2008、2009、2012、2015年大于1，出现了回火效应，说明随着技术的不断进步，一方面降低了农业水资源消耗，但另一方面，由于经济社会的快速发展，为了保障粮食安全，在一定程度上又增加了农业水资源需求，技术进步所引致的水资源需求量高于预期的农业水资源节约量分别为131%、219%、147%和768%。2011年等于1，表示完全反弹效应，说明技术进步产生的用水消耗完全抵消了理论节水量。2007、2010、2014、2016、2019年反弹效应处于0～1之间，表示存在部分反弹效应，说明农业技术进步并未充分地节约水资源，不过仍达到一部分的预期节水量，实际节水量分别占预期的49%、45%、49%、82%、4%。
湖南省普遍存在农业用水反弹效应，存在年份之间的变化，无明显的增减趋势。2013年没有出现反弹效应，其他年份都存在反弹效应。2012年和2014年出现了回火效应，技术进步所引致的水资源需求量高于预期的农业水资源节约量分别为118%和482%。存在部分反弹效应，2007-2011、2015-2019年实际节水量分别占预期的33%、24%、41%、34%、31%、99%、40%、47%、25%、44%。
4 结论
本文基于2007-2019年长江中下游粮食主产区5 个省份的省级面板数据，在计算农业技术进步率的基础上，测算了农业用水反弹效应，得到如下结论：
（1）2007-2019年间农业技术进步率均为正值，省份之间存在差异，年份之间整体波动幅度不大。
（2）各省农业用水量各年份间波动幅度比较平稳，整体比较稳定。农业用水强度不断减少，由2007年的0.16 减少至2019年的0.07。理论节水量处于不断升降过程中。农业技术进步所引致的水资源需求量不断变化，大体呈现下降的趋势。
（3）长江中下游粮食主产区农业用水普遍存在反弹效应。从农业用水反弹效应平均值来看，安徽、江西两个省份没有出现反弹效应；江苏、湖北和湖南的农业用水反弹效应平均值分别为53%、71%和91%。在农业技术进步率波动的影响下，农业用水反弹效应不同年份之间存在变化，无明显的增减趋势。只有2009年和2012年不存在反弹效应，其他年份都存在反弹效应，其中，2011、2014和2015年出现了回火效应。
（4）各省普遍存在农业用水反弹效应，不同年份之间存在变化，存在上升和下降的多次更替，无明显的增减趋势。在农业技术进步率波动的影响下，5省只有少数年份农业用水没有出现反弹效应，多数年份普遍存在农业用水反弹效应，部分年份出现了“回火效应”。
上述结论一方面说明了近年来农业技术进步促进了农业经济发展，一定程度上节约了农业用水量，另一方面由于农业用水反弹效应的存在影响了节水效果，可见，在农业节水方面还有一定的潜力。提出以下对策建议：
（1）进行水价改革。我国实行固定的农业水价，价格比较低，无法激励农业生产主体产生节水行为，导致水资源的浪费，因此需要改革农业水价，从根本上激励农业经营主体节约水资源。
（2）提高农业经营主体节水意识。通过手机和互联网等新媒体加强节水宣传，营造良好的节水氛围，培养农业经营主体节水理念和意识。
（3）优化种植结构。通过一定的补偿，鼓励农业经营主体改种低耗水作物或实行休耕，或者种植抗旱农作物新品种，节约农业用水量。
（4）继续提高灌溉水利用系数。当前我国的水资源利用方式仍较粗放，2020年农田灌溉水有效利用系数仅为0.565。不断推广节水灌溉技术，增加灌溉面积，加大农田水利设施建设，提高用水效率，以此缓解农业用水反弹效应。
（5）各省普遍存在农业用水反弹效应且存在差异，因此需要根据各个地区的不同情况，制定具体的节水政策。
